巖溶地區(qū)特殊地質(zhì)條件對頂管工程的影響性分析

蒙 韻

(深圳市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，廣東 深圳 518001)

1 工程概況

近年來，圍繞城市水環(huán)境長制久清及可持續(xù)發(fā)展總體要求，針對龍崗區(qū)存在部分污水系統(tǒng)未完全分離、局部不完善的情況，深圳市龍崗區(qū)提出全面消黑及河流水質(zhì)提升項(xiàng)目，實(shí)施雨污干支管網(wǎng)完善工程。

自行車賽場路至寶荷路雨污干支管網(wǎng)完善工程，起點(diǎn)位于龍崗區(qū)龍城街道自行車賽場路，終點(diǎn)位于寶荷路與愛南路交匯處，采用頂管施工。擬建污水管道長度約5.1km，管徑1000-1500mm，管道埋深約5.28-17.97m，同時(shí)建設(shè)直徑7.2m頂管工作井34座，直徑4.0m頂管接收井34座。

2 工程地質(zhì)條件簡述

2.1 地形地貌

工程區(qū)位于深圳市北部丘陵谷地-盆地地貌帶大區(qū)，受深圳斷裂帶中三相斷裂控制構(gòu)成嶺谷相間北東向平行排列的地貌組合。擬建頂管工程沿線原始屬斷陷溶蝕谷地小區(qū)，因城市快速建設(shè)，夷山填谷，大興土木，使場地原始地貌難以辨別，目前已成為較為平坦的市政道路，地面高程在39.5-51.8m。

2.2 地層分布情況

擬建頂管工程沿線地層分布自上而下主要為：第四系人工堆積層(Q4ml)；第四系沖洪積層(Q4al+pl)、第四系殘積層(Qel)，下伏基巖為石炭系下統(tǒng)測水組(C1c)石英砂巖、砂巖、砂礫巖、灰?guī)r透鏡體及石炭系石磴子組(C1s)大理巖(詳見圖1)。

圖1 巖溶地區(qū)頂管典型地質(zhì)斷面圖

2.3 水文地質(zhì)情況

工程區(qū)地下水以孔隙水為主，賦存于及第四系人工堆積層及第四系沖洪積層中，水量相對豐富，砂層中孔隙水具微承壓性，黏性土層含水量相對較小，透水性相對較弱；裂隙水賦存于基巖裂隙中，受裂隙發(fā)育程度影響較大。裂隙溶洞水具承壓性，主要賦存于弱-微風(fēng)化灰?guī)r、大理巖裂隙中和構(gòu)造破碎帶中，接受上覆孔隙潛水和地下徑流補(bǔ)給，其富水性及導(dǎo)水性受斷裂構(gòu)造控制，具各向異性。其富水程度與巖溶發(fā)育程度密切相關(guān)，一般在斷層切割或緊靠斷層處、河流及溝谷侵蝕切割處、地下水排泄區(qū)等強(qiáng)巖溶發(fā)育帶為巖溶水富集地段，從垂直方向上看，一般在當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面以下30m范圍淺部巖溶強(qiáng)發(fā)育帶為巖溶水富集地帶。另外，第四系孔隙水及基巖裂隙水均會(huì)對裂隙溶洞水提供側(cè)向潛流補(bǔ)給。

由于工程區(qū)緊鄰龍崗河干流，為區(qū)內(nèi)的最低侵蝕基準(zhǔn)面，地下水通過徑流后最終匯入龍崗河內(nèi)，它經(jīng)歷了溶蝕、下切、沉積、抬升和改道等一系列演變過程。徑流一般存在管道流和隙脈流兩種基本徑流通道，其突出表現(xiàn)為管道密集和高度集中的點(diǎn)狀排泄。同時(shí)，地表、地下徑流具有互補(bǔ)和頻繁轉(zhuǎn)換的性質(zhì)。工程區(qū)位于整個(gè)龍崗河流域地下水的排泄區(qū)，因其地下水活動(dòng)豐富、埋深淺，巖溶發(fā)育程度相對較高。

根據(jù)地下水位觀測，擬建管道沿線場地地下水位埋深一般在平均3.48m左右，高于擬建管道基底。

2.4 巖溶發(fā)育特征分析

工程區(qū)分布有石炭系下統(tǒng)測水組(C1c)灰?guī)r及石炭系石磴子組(C1s)大理巖兩種可溶巖，呈整合接觸關(guān)系，由于其在礦物成分、結(jié)構(gòu)等方面的差異，不同碳酸鹽巖巖性的組合和碳酸鹽巖與非碳酸鹽巖的組合對巖溶發(fā)育影響較大，各含水巖組的地下水類型及巖溶發(fā)育程度也不相同。上述兩組可溶巖水文地質(zhì)巖組劃分見表1。

表1 水文地質(zhì)巖組劃分表

根據(jù)管道布置方案，擬建5.1km頂管沿線在勘察深度內(nèi)揭露到2.88km為巖溶發(fā)育區(qū)。經(jīng)分析將頂管結(jié)構(gòu)縱向分布5m范圍內(nèi)發(fā)育有可溶巖或巖溶地層的區(qū)段，作為巖溶區(qū)對頂管工程有影響的區(qū)段，該范圍約2.26km。其中西段(自行車賽場路至龍崗大道段)主要分布石炭系下統(tǒng)測水組(C1c)灰?guī)r，東段(龍崗大道至寶荷路段)主要分布石炭系石磴子組(C1s)大理巖。

其中，測水組灰?guī)r屬埋藏型巖溶分布淺埋區(qū)，揭露的基巖面埋藏深度在7.2-21.2m，其鉆孔見洞率為16.67%，線巖溶率為4.62%，該層中揭露土洞較少，以溶洞為主，土洞、溶洞充填率為82.3%，充填物以軟可塑-硬可塑狀含礫粉質(zhì)黏土為主，其余17.7%的溶洞為空洞。

在石磴子組大理巖屬覆蓋層巖溶分布淺埋區(qū)，揭露的基巖面埋藏深度在3.3-16.3m，其鉆孔見洞率為27.83%，線巖溶率為12.73%，該層中揭露土洞溶洞均較多，其中土洞以空洞為主，溶洞全充填約占51.72%，充填物以軟可塑-硬可塑狀含礫粉質(zhì)黏土及少量中粗砂為主，半充填約占15.52%，由流塑-軟塑狀含礫粉質(zhì)黏土充填為主，無充填的約占32.76%?？傮w來講，石炭系測水組灰?guī)r巖溶發(fā)育程度屬中等發(fā)育，石炭系石磴子組大理巖巖溶發(fā)育程度屬強(qiáng)烈發(fā)育[1-3]。

3 巖溶條件對頂管工程的影響分析

根據(jù)管道布置方案，擬建頂管存在在弱-微風(fēng)化灰?guī)r、大理巖、土洞、溶洞及灰?guī)r上覆狀態(tài)不均的殘積土中頂進(jìn)的情況。通過對可溶巖地層及巖溶發(fā)育的特性，按照頂管工程的設(shè)計(jì)方案及施工工藝進(jìn)行分析，巖溶發(fā)育對頂管工程主要存在以下幾點(diǎn)影響。

3.1 對頂管機(jī)選擇的影響

由于灰?guī)r、大理巖等可溶巖多發(fā)育溶溝、溶槽，其基巖面起伏極大，且分布無規(guī)律，對于是否采取巖石掘進(jìn)頂管機(jī)難以完全判別。在勘察已揭露基巖面距離頂管管底輪廓很近的情況下，若基巖面陡然抬起，則需進(jìn)行“開天窗”破巖并更換帶有破巖能力的滾刀刀盤，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度及施工成本。

故基巖面的埋藏情況對頂管機(jī)機(jī)頭的選擇起到了很關(guān)鍵的作用。

3.2 頂管機(jī)機(jī)頭存在磕頭、掉頭的風(fēng)險(xiǎn)

本段頂管工程區(qū)存在巖溶發(fā)育區(qū)，發(fā)育土洞、溶洞，且部分以空洞或半充填的形態(tài)分布，當(dāng)頂管機(jī)遇到未經(jīng)處理的土洞、溶洞時(shí)，由于土洞、溶洞無充填物，或充填物物理力學(xué)性質(zhì)較差，加上機(jī)頭本身較重，可能導(dǎo)致頂管機(jī)機(jī)頭磕頭甚至掉頭的風(fēng)險(xiǎn)。由于機(jī)頭造價(jià)極高，且取機(jī)頭需“開天窗”，會(huì)產(chǎn)生額外的施工成本，對頂管工程施工存在較大的經(jīng)濟(jì)影響。

3.3 頂管頂進(jìn)過程中存在引發(fā)地面塌陷的風(fēng)險(xiǎn)

根據(jù)深圳市地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度分區(qū)圖，工程區(qū)存在巖溶塌陷類地質(zhì)災(zāi)害，其中西段頂管(自行車賽場路至龍崗大道段)石炭系下統(tǒng)測水組(C1c)灰?guī)r分布區(qū)為巖溶塌陷中易發(fā)區(qū)；東段頂管(龍崗大道至寶荷路段)石炭系石磴子組(C1s)大理巖分布區(qū)為巖溶塌陷高易發(fā)區(qū)。當(dāng)?shù)叵滤患捌鋸搅鳡顟B(tài)劇烈改變或強(qiáng)作用的機(jī)械振動(dòng)時(shí)，極可能誘發(fā)巖溶塌陷。

本次勘察已揭露到較多土洞、溶洞，且工程區(qū)大部分位于巖溶塌陷中-高易發(fā)區(qū)，在本工程頂管頂進(jìn)過程中，在頂管影響范圍內(nèi)的土洞、溶洞，特別是頂管上部的土洞，由于頂管頂進(jìn)過程中，存在進(jìn)一步擴(kuò)大的可能，進(jìn)而可能引發(fā)地面塌陷等地質(zhì)災(zāi)害，并對周邊民房建筑物造成重大影響。故對頂管沿線存在重大安全風(fēng)險(xiǎn)的土洞、溶洞建議優(yōu)先處理后方可進(jìn)行頂進(jìn)。

3.4 頂管井內(nèi)作業(yè)存在的安全風(fēng)險(xiǎn)

在頂管井開挖過程中，當(dāng)存在井底或井壁有發(fā)育較大的土洞、溶洞時(shí)，若機(jī)器、人員在井內(nèi)作業(yè)，可能發(fā)生施工人員和設(shè)備掉入溶、土洞的風(fēng)險(xiǎn)，存在重大的安全風(fēng)險(xiǎn)。

3.5 巖溶水對頂管施工過程的影響

在頂管頂進(jìn)過程中，若遇到未經(jīng)處理的土洞、溶洞，由于土洞、溶洞中地下水較為豐富，且具有承壓性，可能導(dǎo)致大的涌水現(xiàn)象、甚至坍塌現(xiàn)象，導(dǎo)致頂管井內(nèi)需采取進(jìn)一步的止水措施或?qū)r溶水進(jìn)行封堵，甚至造成致人傷亡等工程事故，影響施工進(jìn)度及成本，危害人身安全。

3.6 可溶巖上覆軟土對頂管工程的影響

在深圳巖溶地區(qū)，因巖溶作用及溶洞、土洞會(huì)在上覆地層中形成各種類型的軟土，主要為界面型軟土、塌陷沉積型軟土及土洞充填型軟土。

其中，界面型軟土為灰?guī)r、大理巖等可溶巖與上部覆蓋土層受地下水滲流長期作用而形成；塌陷沉積型軟土為土洞發(fā)育至一定程度會(huì)產(chǎn)生塌陷，原洞頂?shù)貙铀缮⒍逊e在洞底，再與地下水徑流匯聚過程中形成；土洞充填型軟土主要為在土洞形成過程中，沉積在洞底的塌落土體有時(shí)不能被水帶走，如塌落大于潛蝕，土洞被充填后形成的“充填軟土”。

上述軟土一般呈流塑狀，局部軟塑狀，具高壓縮性和高觸變性，承載力低、穩(wěn)定性差，不能作為管基的天然地基，且需考慮軟弱下臥層引起的不均勻沉降問題。同時(shí)，當(dāng)頂管在該軟土中頂進(jìn)時(shí)，由于其性狀很差，摩阻力小，頂管機(jī)極容易“磕頭”，很難調(diào)整姿勢、很難進(jìn)行糾偏、直至無法繼續(xù)頂進(jìn)施工，故在頂進(jìn)時(shí)應(yīng)采取及時(shí)的糾偏措施，防止工作面坍塌和頂管軸線失穩(wěn)，必要時(shí)需采取預(yù)加固處理措施后再進(jìn)行頂進(jìn)。當(dāng)沉井基底位于可溶巖上覆軟土?xí)r，由于井內(nèi)外土面的高差，使井外土體受自重壓力和下沉?xí)r摩擦力的作用，刃腳底部土體超過了極限承載力，以至井外的土體沿刃腳底部不斷地被擠入井內(nèi)，可能造成地面沉降[4]。

4 結(jié) 語

工程涉及在巖溶地區(qū)進(jìn)行頂管工程，由于巖溶地區(qū)工程地質(zhì)條件的復(fù)雜性與特殊性，對頂管工程存在一定的影響。特別是由于可溶巖基巖面的起伏形態(tài)差異造成的對頂管機(jī)的選擇問題；以及土洞、溶洞等不良地質(zhì)發(fā)育可能導(dǎo)致的頂管頂進(jìn)過程、頂管井開挖過程引起的巖溶塌陷問題；同時(shí)，由于巖溶水及上覆軟土的分布，對頂管工程亦存在相應(yīng)的影響。

在頂管工程設(shè)計(jì)與施工時(shí)應(yīng)加強(qiáng)對勘察資料的利用與分析，充分考慮巖溶地區(qū)特殊地質(zhì)條件對頂管工程可能造成的不利影響及風(fēng)險(xiǎn)，并采取相應(yīng)的工程處理措施，以保證頂管施工的安全、經(jīng)濟(jì)、可行。